“月球24號”：蘇聯時代最成功的無人采樣

文/ 張雪松

說起地外天體無人采樣，不能不提蘇聯的月球24 號探測器。回顧蘇聯時代的月球探測計劃，1976年發射的“月球24 號”取樣返回最為成功，堪稱蘇聯探月最后的輝煌。

“月球24 號”的前世今生

蘇聯載人登月可以說是“起了個大早，趕了個晚集”：蘇聯載人登月計劃開始很早，但始終三心二意、舉棋不定，還有航天元勛科羅廖夫手術身故帶來的打擊，面對美國大張旗鼓加緊實施的阿波羅登月計劃，蘇聯載人登月毫無意外地落后了。蘇聯不得不在繼續抓載人登月計劃的同時，大力推進無人取樣返回探測器，試圖在航天競賽中扳回一局。蘇聯時代一共發射了11 個月球取樣返回探測器，“月球24 號”是其中最后，也是最成功的一個。

▲ 左圖為月球16 號探測器，右圖為“月球16 號”采回的一管月球鉆取樣品，編號21000

▲月球20 號探測器

蘇聯成功發射過月球飛掠探測器、月球環繞探測器和月球軟著陸探測器，步步為營為月球取樣返回探測器的成功打下了堅實的基礎。然而，月球取樣返回項目的技術跨度很大，比如從月面起飛返回地球，僅此一項就比軟著陸多了約2.7 千米/秒的速度增量要求，需要研制專門的上升器。月球24號探測器由著陸器和上升器兩部分組成，其中著陸器質量近5.3 噸，而上升器只有約515 千克，總發射質量約5.8 噸，蘇聯使用當時運載能力最強的質子號火箭發射，而且使用了Block D上面級。月球24 號探測器發射后進入近地軌道，由Block D 上面級送入地月轉移軌道，隨后由著陸器完成中段修正、月球軌道插入和月球軟著陸，而上升器負責將鉆取獲得的月壤月巖樣品送回地球。“月球24 號”任務和蘇聯其他取樣返回任務一樣，采用直接上升返回方式，也就是月面起飛一次點火加速到月球逃逸速度，進入返回地球的自由返回軌道。

蘇聯拉沃契金設計局負責月球取樣返回探測器的研制，蘇聯發射的11個取樣返回探測器都采用該局的Ye8-5系列平臺做著陸器，但月球取樣返回任務復雜、流程多難度也大，最終只有“月球16 號”“月球20 號”和“月球24 號”取樣返回任務獲得成功。“月球16 號”任務取回101克月球樣本，“月球20號”只取回55 克，它們使用鉆取方式取樣，前者在高密實度月壤中鉆桿卡滯，后者遇到了斜長巖導致鉆頭過熱停機，鉆機的鉆進深度分別為0.35 米和0.27 米，鉆探取土遠遠談不上圓滿成功。蘇聯科研人員吸取教訓不斷改進，“月球24號”使用改進的Ye8-5M 平臺，尤其是使用了KBOM 設計局塔什干分部研制的名為LB-09 的新型鉆探取樣機構，并采用傾斜式鉆取方式，鉆探取樣能力有了很大提高。

▲月球24 號探測器著陸器結構圖

“月球24 號”的直接上升返回方案對上升返回器的速度增量要求更大，也要求更高的控制精度，還提高了月地轉移軌道和再入返回等后續飛行過程的設計難度，但直接上升返回方案簡化了任務流程，減少了出現錯誤的可能性，考慮到蘇聯苦于航天探測器可靠性不足，這是權衡利弊后的必然選擇。“月球24 號”的方案設計雖然簡潔，但遠沒有美國阿波羅計劃月球軌道交會方案那么高效。

“月球24 號”的光榮旅程

1976年8月9日，蘇聯使用質子號/Block D 火箭從拜科努爾發射場發射了月球24 號探測器，8月11日進行探測器軌道修正后，又過了3 天進入傾角120 度、高度115 千米的月球圓軌道，軌道周期1 小時59 分。8月16日和17日探測器進行多次機動減速后，進入近月點12 千米的橢圓軌道，8月18日探測器開始月球軟著陸，莫斯科時間9 時36 分成功降落到月球危海東南部。蘇聯取樣返回任務受到發射場和運載火箭運力的限制，著陸區其實沒有太多選擇，基本都集中在月球可見一面的東部邊緣的赤道一帶，“月球24 號”不僅和“月球15 號”落在同一個區域，落點更是距離前輩月球23 號探測器只有數百米。“月球24 號”任務是Ye8-5M 平臺的第三次嘗試，不同于落月失敗側面著陸的“月球23 號”，以及一年后Block D 上面級故障未能進入停泊軌道的無名失敗任務，“月球24 號”總算成功落月了。

▲“月球16 號”采集的月球巖石標本，總重0.2 克，在蘇富比拍賣行拍出44.25 萬美元的天價

▲月球系列中的首個探測器——月球1 號，首次飛掠月球

月球24 號探測器降落到月球表面后，位于克里米亞辛菲羅波爾市的KIP-10 地面控制站花了大約15 分鐘檢查探測器的狀態和落點，確認探測器工作正常后發送指令開始鉆取月壤。月球24 號探測器的LB-09 鉆取機構包括鉆頭、鉆軸和驅動器、樣品傳輸機構和樣品儲存容器等部分，它比早期鉆取采樣機構有很大改進，尤其是能根據月壤密度調整鉆機功率，這樣即使像月球16 號探測器那樣，鉆頭突然遇到高密實度月壤，也不至于就此止步。“月球24 號”以旋轉鉆進方式工作到1.2 米深度，隨后切換到沖擊旋轉模式，進一步進行鉆取，傾斜30 度工作中鉆機鉆進長度約2.25 米，相當于月面下2 米深度。即使如此新的LB-09鉆機仍然在鉆取過程中多次停鉆，最后獲得的是質量170 克的月壤樣品，固然比“月球16 號”和“月球20 號”有了巨大進步，但鉆取深度和樣品質量仍然不及預期。

▲月球9 號探測器，首次實現月球軟著陸

▲ 俄羅斯公布的“月球25 號”至“月球29 號”探測器的發射計劃，但目前整體計劃已推遲至2022年開始

經過22 小時49 分的緊張采樣工作后，探測器上升器部分于莫斯科時間8月19日8 時25 分從月面升空，達到2.7 千米/秒的速度直接飛向地球，返回艙8月22日再入大氣層，15 千米和4 千米高度先后開啟引導傘和主傘后，成功降落到西西伯利亞的蘇爾古特附近。與此同時，月面的著陸器仍進行了一些操作，比如操作鉆機繼續進行了鉆取，為后續的火星取樣返回積累經驗，不過那就是另一個故事了。月球24 號探測器從月球危海區域取回了170.1 克的月壤月巖樣品，研究表明月壤為多層不同顏色和結構的物質，反映出采樣區隨著時間推移有多次沉積物質的復雜地質歷史。蘇聯科學家研究認為樣本的風化層年齡約3億年，還發現樣品中含有0.1%的水，水含量高出檢測閾值約10 倍，顯然并非監測儀器的誤差。遺憾的是，月球有水的消息沒能激起巨大反響，美蘇都停止了后續探月計劃，月球24 號探測器也成了蘇聯月球探測的絕唱。

不絕的尾聲

1976年2月，蘇聯秘密放棄了N1-L3 載人登月計劃，“月球24 號”任務后蘇聯也沒有后續的無人探月計劃，美蘇冷戰期間的登月競賽已經隨著“阿波羅”登月決出勝負，都不約而同放棄了后續探測計劃。1976年蘇聯“月球24 號”成功登月37年后，月球才迎來一個新的探測器，即來自中國的嫦娥三號著陸器。

俄羅斯仍然有月球探測的雄心，1998年拉沃契金設計局就提出新的探測器方案，并和多個國家討論進行國際合作，但都以分道揚鑣告終，拉沃契金設計局最后重新獨立研制，并沿用蘇聯時代的月球系列編號，將其命名為“月球25 號”，然而它由于預算等問題反復推遲10年之久。俄羅斯的月球25 號探測器如獲成功，“月球24 號”總算是后繼有人了，俄羅斯還計劃發射月球26、27、28 號等一大批探測器，實施月球取樣返回計劃，并向月面部署大型月球車，為建造月球基地做好準備。★

相關鏈接

蘇聯月球鉆探簡史

蘇聯一共進行過11 次月球采樣返回的嘗試，其中只有第6 次、第8 次和第11 次取得了成功，其他都因為各種各樣的原因失敗。但很多失敗并不是探測器本身的問題。蘇聯解體至今，俄羅斯并沒有再進行過任何形式的外星球采樣計劃。

1.月球E-8-5 No.402，美國宇航局把它叫做月球1969C。它是一個起飛質量達到5600 千克的探測器，打算在月球上進行軟著陸，收集月球土壤樣本，并返回地球。

1969年6月14日，月球E-8-5 No.402 在拜科努爾航天中心用質子-K 8K78K 運載火箭起飛，但是上面級火箭未能點火，探測器沒有進入軌道。

2.“月球15號”是蘇聯試圖搶在“阿波羅11 號”前面登月并帶回樣品的一次嘗試。它在“阿波羅11 號”發射之前3 天發射，繞飛月球52 圈之后，嘗試著打開主發動機降落。但是降軌開始后4 分鐘，信號就中斷了。預測當時“月球15 號”距離月球表面還有3 千米，功敗垂成。

3.“宇宙300 號”是蘇聯第4 次嘗試無人月球采樣返回。它的設計與后來的“月球16 號”相似。1969年9月23日，“宇宙300 號”用質子火箭發射。由于氧化劑泄漏，火箭上面級發動機出現故障，“宇宙300 號”在地球大氣層中燒毀。

4.“宇宙305 號”是蘇聯第5 次嘗試無人月球采樣返回。1969年10月22日，它用質子火箭發射升空，結果遭遇了和“宇宙300 號”一樣的命運。因為上面級發動機失敗，“宇宙305 號”滯留在地球軌道上。

5.月球E-8-5 No.405 和1969年發射的月球E-8-5 No.402 基本相同。它于1970年發射，因為火箭失敗，這臺5600 千克的探測器沒有抵達月球。

▲ 測試中的“月球15 號”

▲ 發射失敗的俄羅斯火星采樣探測器

▲ 失敗的蘇聯E-8-5月球采樣器

▲ 蘇聯取回的月壤

6.“月球16 號”是蘇聯、也是全世界第一個從月球上帶回樣品的無人探測器，也是人類第一個成功的外星球采樣器。“月球16 號”于1970年9月17日進入傾角為70°的月球軌道。在9月18日和19日進行了兩次軌道調整之后，下降到距離月面15.1千米的高度。9月20日，“月球16號”主發動機點火，降落到月球表面。著陸后不到一個小時，“月球16 號”用自動鉆機穿透月球表面，采集土壤樣本。鉆孔7 分鐘后，鉆孔機在35 厘米深處停止，然后取出樣本，存放在一個小球形返回艙中。9月21日，“月球16 號”的上升段起飛。9月24日，在沒有中途修正的情況下，載有101 克月球土壤的返回艙以每秒11 千米的速度重新進入地球大氣層，降落在哈薩克斯坦境內。分析表明，這些樣品與美國“阿波羅12 號”任務帶回的土壤非常相似。

7.“月球18 號”于1971年發射，9月7日進入月球軌道。繞飛月球54圈后，“月球18 號”試圖著陸，但未能成功，墜毀在月球上。蘇聯官方宣布“在復雜的山區條件下登月是不利的”。

8.“月 球20 號”于1972年2月18日進入月球軌道。1972年2月21日，“月球20號”軟著陸在距離“月球16號”著陸地點120 千米的沃海附近。經過鉆探，“月球20 號”獲得了約55 克樣品，于1972年2月22日從月球表面起飛，1972年2月25日降落在蘇聯境內，取得成功。這是蘇聯發射的第8 個月球采樣返回航天器，基本設計和“月球18 號”相同，改善了“月球18號”的一些不完善之處，終于取得成功。“月球20號”采集的樣本和此前不同，主要是古代月球高地斜長巖，而不是早期樣本中的玄武巖。這與美國“阿波羅16 號”任務返回的樣品類似。

▲ “月球16 號”的采樣桿

9.“月球23 號”由質子火箭發射升空，于1974年11月2日進入繞月軌道，于11月6日降落到月球表面。由于著陸地形惡劣，鉆孔裝置遭到了損壞，主要任務無法完成，科學家們只好把它當作一個著陸探測器來使用。2012年3月，美國宇航局的月球勘測軌道器發現，“月球23 號”側臥在月球表面，所以無法鉆探。

10.月球E-8-5M No.412 繼續了這個系列探測器此前的厄運。它在1975年發射時，因為火箭上面級失敗而沒有進入軌道，導致這臺5300千克的探測器報廢。

11.“月球24號”在距“月球23號”幾百米外著陸并成功帶回樣品。“月球24 號”是蘇聯時代月球采樣返回計劃的絕唱，它于1976年8月22日將170.1 克的樣品送回地球。

從那以后，再也沒有任何人或者設備從月球上取回任何樣品，直到2020年12月，中國的“嫦娥五號”開啟了全新的時代。